汽車產(chǎn)業(yè)正從過往仰賴機(jī)械元件運(yùn)作,，如火如荼的轉(zhuǎn)向智慧連線的目標(biāo)前進(jìn),，進(jìn)而達(dá)成自動(dòng)駕駛最終目標(biāo),。欲實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛,，車載網(wǎng)絡(luò)及電子控制單元(ECU)勢將有全新發(fā)展,，本文主要從半導(dǎo)體技術(shù)的觀點(diǎn),，審視當(dāng)今的ECU,，接著再根據(jù)車載網(wǎng)絡(luò)日后發(fā)展之可能性,，說明未來ECU以及日后半導(dǎo)體技術(shù)之限制與機(jī)會(huì)。
起初,，汽車主要仰賴機(jī)械元件運(yùn)作,，而如今汽車產(chǎn)業(yè)正面臨轉(zhuǎn)型的過渡期。隨著科技進(jìn)步,，汽車中的部分機(jī)械元件逐漸由電子裝置取代(此稱電子化),。目前汽車產(chǎn)業(yè)正朝智慧連線車輛的目標(biāo)邁進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)車輛間與車輛和基礎(chǔ)建設(shè)間的連線,，進(jìn)而達(dá)到全面自動(dòng)駕駛的最終目標(biāo),。此目標(biāo)初衷在于減少車禍?zhǔn)鹿始八劳雎省?0%以上的車禍都是人為因素造成，而自動(dòng)駕駛車輛將在實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的「零事故」愿景中,，扮演關(guān)鍵角色,。
然而,，自動(dòng)駕駛車輛并非一蹴可幾；而是須依照美國汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)定義的六個(gè)等級(jí)循序漸進(jìn)導(dǎo)入,。這些等級(jí)從無自動(dòng)駕駛開始,，升至有條件式自動(dòng)駕駛，到最后的全自動(dòng)駕駛(然而即使達(dá)到最高等級(jí)的自動(dòng)駕駛,，也需就法律層面加以說明),。
自動(dòng)駕駛車輛的等級(jí)越高，駕駛?cè)嗽谛熊嚻陂g的作用就越低,，例如車速控制與轉(zhuǎn)向控制,，甚至于全面自動(dòng)操控；此外,，隨著自動(dòng)化等級(jí)提高,，車輛也將需要更強(qiáng)的處理能力與感測器以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)頻寬，如此也將勢必為車載網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)的ECU帶來全新發(fā)展,。
本文將探討未來的兩種車載網(wǎng)絡(luò),，一種是以網(wǎng)域運(yùn)算為基礎(chǔ)，另一種則是以中央運(yùn)算平臺(tái)為基礎(chǔ),；此外也將特別說明未來可能出現(xiàn)的ECU,。以下先探討ECU以及車載網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)況。
ECU與車載網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)況
現(xiàn)代車輛的車載網(wǎng)絡(luò)是由許多ECU所組成,，中/低階車款所含的ECU約有三十個(gè),，高階車款則可能高達(dá)一百個(gè)。一般的ECU如圖1所示,。
圖1 ECU的主要區(qū)塊,。
ECU的分區(qū)(Partitioning)也是由半導(dǎo)體技術(shù)驅(qū)動(dòng)。微控制器一般包含非揮發(fā)性記憶體(NVM),，以便在除錯(cuò)或功能升級(jí)時(shí),，可直接于現(xiàn)場更新軟體。(深)次微米CMOS是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的技術(shù)解決方案,，可將微控制器介面訊號(hào)傳輸?shù)念~定電壓降至5V或3.3V,，核心供應(yīng)甚至可以更低(如1.5V或1.2V)。
基于此原因,，微控制器無法直接連接車用電瓶,，兩者間必須加裝穩(wěn)壓器。然而,，穩(wěn)壓器也必須能夠承受電瓶線路的大幅電壓波動(dòng)與瞬變電流,。此外，電瓶線路也可能出現(xiàn)靜電放電(ESD)和電磁干擾(EMI),。
在圖1中,，其他含外部連接的區(qū)塊,，如車載網(wǎng)絡(luò)(IVN)及感測器與致動(dòng)器介面區(qū)塊，也需要能夠承受此類瞬變電流,。簡而言之,，微控制器外圍的所有區(qū)塊構(gòu)成了一道屏障，保護(hù)微控制器免于電壓偏移,，并避免可能導(dǎo)致微控制器損壞的情況,，而此則須仰賴高電壓技術(shù)。
基于這個(gè)原因,，當(dāng)今的ECU至少必須配備兩項(xiàng)半導(dǎo)體技術(shù),。除此之外，感測器以及若干高功率致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器,，也須要采用更先進(jìn)的技術(shù),。由于圖1僅顯示兩種主要技術(shù)，我們尚須評(píng)估以單一技術(shù)與裝置涵蓋所有功能的可行性,。
即使還有最高可以達(dá)90V的車用等級(jí)NVM等高電壓技術(shù),，但與微控制器所使用的深次微米車用技術(shù)相較下，這些技術(shù)仍落后幾個(gè)節(jié)點(diǎn)(特征尺寸),。
然而,，數(shù)位內(nèi)容與SRMM和NVM記憶體不具價(jià)格優(yōu)勢，尤其是NVM,，與多芯片實(shí)作相較下,，此類單芯片或系統(tǒng)單芯片(SoC)的解決方案價(jià)格顯得過高。
因此,，SoC在當(dāng)今ECU中尚未廣泛應(yīng)用,，而是主要用于以LIN為基礎(chǔ)的從屬節(jié)點(diǎn),，因?yàn)樵诖祟惞?jié)點(diǎn)中,，NVM的需求偏低，也不需要強(qiáng)大處理能力,。
一般認(rèn)知的可行做法,，就是在所謂的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)中，結(jié)合穩(wěn)壓器與IVN,，或者甚至結(jié)合穩(wěn)壓器,、IVN和感測器介面，或定義為特殊應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)的致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器,。
上述類型產(chǎn)品的目的在于降低系統(tǒng)成本,，而且由于整合式功能也須要使用高電壓技術(shù)，因此在技術(shù)上完全可行,。
車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多ECU各司其職
在當(dāng)今的車載網(wǎng)絡(luò)中,，ECU通常僅支援一種應(yīng)用,，如引擎控制、車窗升降機(jī)或電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng),；例外的情況非常之少,，如結(jié)合煞車與安全氣囊ECU。因此,，最重要的是了解每一個(gè)專用ECU都要自行處理感測器資料和演算法,。
以當(dāng)今的煞車ECU為例，維持車輛穩(wěn)定性和防止輪胎鎖死所使用的演算法,，都是由煞車ECU自行運(yùn)行,，就當(dāng)今的汽車架構(gòu)而言，幾乎無一例外,，這點(diǎn)將于本文其他部分進(jìn)一步探討,。
以網(wǎng)域?yàn)榛A(chǔ)之車載網(wǎng)絡(luò)
圖2說明了以多個(gè)網(wǎng)域?yàn)榛A(chǔ)的車載網(wǎng)絡(luò)。車用等級(jí)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)體層(PHY)技術(shù)與交換器是此架構(gòu)的要素,。如圖2所示,，以太網(wǎng)絡(luò)科技是作為通訊骨干之用，由此可知網(wǎng)絡(luò)包含數(shù)個(gè)網(wǎng)域控制器,。
圖2 以網(wǎng)域?yàn)榛A(chǔ)的網(wǎng)絡(luò),。
其中一個(gè)就是實(shí)現(xiàn)(半)自動(dòng)駕駛車輛關(guān)鍵的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)網(wǎng)域控制器。汽車電子元件供應(yīng)商針對(duì)此控制器,，推出BlueBox開發(fā)平臺(tái),，可處理來自攝影機(jī)和雷達(dá)或光達(dá)(LiDAR)的多個(gè)感測器資料串流，支援感測器融合對(duì)于自動(dòng)駕駛車輛而言,，是非常關(guān)鍵的重要功能,。
BlueBox總計(jì)具備90,000 DMIPS(Dhrystone每秒百萬條指令)的運(yùn)算能力，處理器的總耗電量則不到40瓦,。
圖2架構(gòu)得變更個(gè)別ECU,，可以在網(wǎng)域控制器上，執(zhí)行感測器資料處理及/或執(zhí)行演算法,。由于所需的NVM較少,，因此相應(yīng)的ECU可以使用功能性較低的微控制器。在此一情況之下,，感測器是位在ECU內(nèi)部,，因此不需要外部感測器連接，便能夠省去使用高電壓技術(shù)的耗電問題,。
此外,，在雷達(dá)感測器ECU中，可透過深次微米CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)感測器介面。這也可用于實(shí)作微控制器,，在結(jié)合感測器介面與微控制器的ASSP旁,，還有一個(gè)實(shí)作IVN和穩(wěn)壓器的SBC，用于為ASSP配電,。
透過以太網(wǎng)絡(luò)供電后,，甚至可以省去連接電瓶及相關(guān)高電壓技術(shù)的需求。如此一來可實(shí)現(xiàn)完全采用深次微米技術(shù)的SoC解決方案,。
運(yùn)用中央運(yùn)算平臺(tái)提升可擴(kuò)充性
在極端情況下,，還可考慮將多個(gè)或所有網(wǎng)域控制器合并至中央運(yùn)算平臺(tái)的做法，這是在2016年德國路德維希堡舉行的汽車會(huì)議中,，由多家OEM所提出的方案,。此一做法的優(yōu)點(diǎn)在于具備各種不同的車輛平臺(tái)的可擴(kuò)充性，并且可透過備用記憶體進(jìn)行日后更新,，但這些功能也可以在其他架構(gòu)上實(shí)現(xiàn),。
散熱絕對(duì)是這些平臺(tái)的重要考量，因此可能須要使用風(fēng)扇或水冷裝置,，雖然電動(dòng)車幾乎均已配備水冷裝置,，但仍會(huì)提高模組成本。在這些模組中,，采用最先進(jìn)深次微米CMOS技術(shù)的微控制器是最理想的選擇,，但這些技術(shù)一般均未符合車用資格。
此外,，為了顧及重要的行車安全,，模組也必須符合需在開發(fā)過程和裝置架構(gòu)設(shè)計(jì)上采取特殊預(yù)防措施的ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。最后還須符合「零ppm」的品質(zhì)等級(jí),。在以上所有層面中,，比起欲搶攻汽車市場的新半導(dǎo)體供應(yīng)商，傳統(tǒng)汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商占較大優(yōu)勢,。探討過中央運(yùn)算平臺(tái)后,，接著將評(píng)估這些車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)個(gè)別ECU的影響。
在此情況中,，處理作業(yè)同樣不是在ECU上執(zhí)行,，代表不需要龐大的處理能力,，所需的NVM也很小,。此外，微控制器越小,，就越省電,，因此可縮小穩(wěn)壓器的規(guī)格，進(jìn)而提升成本效益,。
因此,，所有必要功能性均可在符合成本效益的情況下,，透過一個(gè)高電壓半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)(包括車用等級(jí)NVM)，進(jìn)而打造出以SoC為基礎(chǔ)的ECU,。事實(shí)上,，與當(dāng)今的車輛相較下，許多ECU均已可達(dá)成此一實(shí)作,。
SoC將結(jié)合微控制器與穩(wěn)壓器,、IVN及致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器和感測器介面，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本,。由于模組的功率消耗及實(shí)體尺寸均能縮減,，因此可進(jìn)一步降低整體模組成本。另外,，相較于傳統(tǒng)架構(gòu),，現(xiàn)在需要更多頻寬來支援中央網(wǎng)域處理模組的通訊傳輸。
此外,，傳送的資料可能攸關(guān)行車安全(如剎車或安全氣囊的致動(dòng)),。因此，當(dāng)處理程序不是在ECU上執(zhí)行時(shí),，便必須考量到感測器與致動(dòng)器之間可能會(huì)產(chǎn)生額外的延遲,，進(jìn)而影響整個(gè)控制回路的穩(wěn)定性。如此一來,，便需要有(最大)延遲確保機(jī)制,，這將提高IVN成本，但前述的系統(tǒng)成本降低或許可抵銷提高的成本,。
ECU運(yùn)算移至云端仍須克服多種挑戰(zhàn)
我們已經(jīng)討論過將運(yùn)算從ECU轉(zhuǎn)移到網(wǎng)域控制器或中央運(yùn)算平臺(tái)的做法,，但在未來的車輛架構(gòu)中，也可以將部分運(yùn)算功能性轉(zhuǎn)移至云端,。在此以由AUDI,、BMW和Daimler共同持有的HERE公司為例說明。
這項(xiàng)做法可提供當(dāng)今導(dǎo)航系統(tǒng)所需的地圖與服務(wù),，當(dāng)然也可滿足未來自動(dòng)駕駛車輛的導(dǎo)航系統(tǒng)需求,。問題在于，是否能將各類車輛所需的各種運(yùn)算能力,，通通轉(zhuǎn)移至云端,？這很快就會(huì)導(dǎo)致需要快速反應(yīng)時(shí)間的應(yīng)用程式出現(xiàn)問題，部分原因出在應(yīng)用程式與云端通訊往返所造成的延遲時(shí)間,。此外,，此做法也會(huì)產(chǎn)生大量難以管理的資料。當(dāng)然，不論是云端之間的相互連線通訊或者云端儲(chǔ)存,，資料安全性都是一大關(guān)鍵考量,。
總而言之，未來的半自動(dòng)駕駛和自動(dòng)駕駛車輛,，乃至于概念車(X Vehicle),，均須要仰賴比當(dāng)今車輛更強(qiáng)大的處理能力與感測器。本文說明ECU的現(xiàn)況以及此類ECU所使用的半導(dǎo)體技術(shù),。文中也根據(jù)未來可能出現(xiàn)的車輛架構(gòu)(例如以網(wǎng)域?yàn)榛A(chǔ)的解決方案以及中央運(yùn)算平臺(tái)),，介紹新型的ECU。即便以上兩種解決方案均各有利弊,，在中短期內(nèi)合理預(yù)計(jì)將會(huì)導(dǎo)入以網(wǎng)域?yàn)榛A(chǔ)的架構(gòu),，而就中央運(yùn)算平臺(tái)而言，安全,、可靠度以及成本等因素仍有待解決,，中央模組的部分尤其如此。